JPH0526804A - 多種ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の半導体レーザ素子を用いて多種類のガ
スを同時に検出するガス検知装置の各半導体レーザ素子
の発振波長を同時に安定化する。 【構成】 周波数ｆ₁ で変調された半導体レーザ素子２
０ａのレーザ光と、周波数ｆ₂ で変調された半導体レー
ザ素子２０ｂのレーザ光とをビームスプリッタ２３で混
合し、複数の参照用ガスが封入された参照用セル２２内
のガスを通過させた後受光器２４で受光し、メタン用波
長制御装置２１ａで周波数ｆ₁ に対応したレーザ光の発
振波長を安定化し、同時にアセチレン用波長制御装置２
１ｂで周波数ｆ₂ に対応したレーザ光の発振波長を安定
化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ素子を用
いた多種ガス検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特定波長のレーザ光がある種の気体に吸
収されやすいことを利用してガスの有無を検出できるこ
とが知られており、この原理を応用したセンシング技術
が工業計測、公害監視などに広く用いられている。一例
として、Ｈｅ−Ｎｅレーザにより発生されるレーザ光の
３．３９２２μｍの発振線はメタンに強く吸収されるこ
とを利用してメタンの有無を感度よく検出することが可
能である。メタンは都市ガスの主成分であるのでメタン
ガスの検出によって都市ガスの漏洩が検知できる。しか
し半導体レーザを用いてガス検知を行う場合にはレーザ
素子の温度により発振波長が大きく変わるのでレーザ光
の発振波長をガスの吸収線の中心波長に合わせて安定化
する必要がある。

【０００３】特願平２−７８４９８号においては、周波
数変調法を応用しかつ光ファイバを伝送路とした遠隔ガ
ス（メタンガス）検出装置が提案されている。この検出
装置では、半導体レーザ素子の駆動電流を所定の電流値
を中心として高周波信号で変調するとともに、半導体レ
ーザ素子から出射されるレーザ光の一部を用いて、半導
体レーザ素子の電流および温度を制御して発振の中心波
長をメタンの吸収線の所定位置に一致させることでレー
ザ光の発振波長を安定化している。そしてこの安定化さ
れたレーザ光を光ファイバを介して未知濃度のメタンガ
スを含むガスセルに導き、そのガスセル内を通過した光
を別の光ファイバで受け、受光部で電気信号に変換した
後位相敏感検波器によりレーザ光の２倍波検波信号およ
び基本波検波信号を求めこれら２つの信号の比からガス
濃度を求めている。

【０００４】しかし、この検出装置では１種類のガスの
濃度しか検知できないので、多種類のガスの濃度を検知
したい場合には、ガスの種類の数だけ検知装置を用意し
なければならないという問題がある。

【０００５】これに対して本願出願人は特願平３−９６
８２６号において多種類のガスを検知する多種ガス検知
装置を提案した。

【０００６】図３は本願出願人による多種ガス検知装置
の概略構成図である。

【０００７】この装置はメタンガスの吸収線を発振線と
してもつ半導体レーザ素子１ａとアセチレンガスの吸収
線を発振線としてもつ半導体レーザ素子１ｂとを備え、
半導体レーザ素子１ａをメタン用駆動装置２ａにより周
波数ｆ₁ で変調し、半導体レーザ素子１ｂをアセチレン
用駆動装置２ｂにより周波数ｆ₁ とは異なる周波数ｆ ₂
で変調する。この変調された半導体レーザ素子１ａから
のレーザ光をメタンガスの封入された参照用セル３ａを
通過させて受光器４ａで受けて電気信号に変換し、メタ
ン用波長制御装置５ａにより半導体レーザ素子１ａに設
けられたペルチェ素子６ａの温度を制御し、半導体レー
ザ１ｂからのレーザ光をアセチレンガスの封入された参
照用セル３ｂを通過させて受光器４ｂで受けて電気信号
に変換し、アセチレン用波長制御装置５ｂにより半導体
レーザ素子１ｂに設けられたペルチェ素子６ｂの温度を
制御する。

【０００８】一方、半導体レーザ素子１ａ、１ｂからの
レーザ光を反射光を防止するアイソレータ７ａを介して
分岐結合器８で一つの光に混合したのち、往路用光ファ
イバ９を介して測定用セル１０まで導き、測定用セル１
０内を通過した光を復路用光ファイバ１１を介して光検
出器１２まで導きアンプ１３で増幅する。そしてさら
に、この検出出力中の周波数ｆ₁ に対応する成分をメタ
ン用信号処理装置１４ａにより位相敏感検波して、測定
用セル１０内のメタンガスの濃度を検出し、検出出力中
の周波数ｆ₂ に対応する成分をアセチレン用信号処理装
置１４ｂにより位相敏感検波して、測定用セル１０内の
アセチレンガスの濃度を検出する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
構成の多種ガス検知装置では、参照用のセルと、このセ
ルを通過したレーザ光を受光する受光器がそれぞれ検知
したいガスの種類の数だけ必要となり、しかもそれぞれ
別々に発振波長を安定化しなければならないので装置が
複雑になる上、大型化するという問題点がある。

【００１０】本発明は、上記の点にかんがみてなされた
ものであり、その目的は、複数の半導体レーザを用いて
多種類のガスを同時に検出するガス検知装置において、
各半導体レーザの発振波長を同時に安定化することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的は、本発明によ
ると、発振波長の異なる複数の半導体レーザと、各半導
体レーザの駆動電流をそれぞれ異なる所定の周波数で変
調する変調手段とを備え、変調手段により変調され複数
のガスが封入された測定用セルを通過したレーザ光を用
いて測定用セル内のガスの濃度を検出する多種ガス検出
装置であって、各半導体レーザから出射するレーザ光を
混合する混合手段と、複数の参照用ガスが封入された参
照用セルと、参照用セルを透過したレーザ光を受光する
受光手段と、受光手段の出力から所定の周波数に等しい
周波数成分を検出し、周波数成分に基づいて各半導体レ
ーザの波長をそれぞれ安定化する複数の波長安定化手段
とを設けた多種ガス検出装置によって達成される。

【００１２】

【作用】本発明の多種ガス検出装置は、異なる所定の周
波数で変調された複数のレーザ光を混合手段で混合し、
複数の参照用ガスが封入された参照用セルを通過させた
後受光手段で受光し、複数の波長安定化手段で所定の周
波数に対応したレーザ光の発振波長をそれぞれ安定化す
る。

【００１３】

【実施例】以下本発明を図面に基づいて説明する。

【００１４】図１は本発明による多種ガス検知装置の一
実施例の概略構成図であり、ここではメタンガスとアセ
チレンガスとの２種類のガスを検知する装置として説明
する。

【００１５】図示した多種ガス検知装置は、２個の半導
体レーザ素子２０ａ、２０ｂと、半導体レーザ素子２０
ａの発振波長を安定化するとともに周波数ｆ₁ で変調す
るメタン用波長制御装置２１ａと、半導体レーザ素子２
０ｂの発振波長を安定化するとともに周波数ｆ₂ で変調
するアセチレン用波長制御装置２１ｂと、既知の濃度の
メタンガスとアセチレンガスとの混合ガスが封入された
参照用セル２２と、各半導体レーザ素子２０ａ、２０ｂ
から出射される変調されたレーザ光を混合するビームス
プリッタ２３と、ビームスプリッタ２３から出力され参
照用セル２２を透過したレーザ光を受光し電気信号に変
換する受光手段としての光検出器２４と、未知の濃度の
メタンガスとアセチレンガスとの混合ガスが封入された
測定用セル２５と、ビームスプリッタ２３から出力さ測
定用セル２５を透過するレーザ光を受光して電気信号に
変換する光検出器２６と、光検出器２６から出力される
電気信号とメタン用波長制御装置２１ａから出力される
周波数ｆ₁ の信号とからメタンを検出するメタン検出装
置２７ａと、光検出器２６から出力される電気信号とア
セチレン用波長制御装置２１ｂから出力される周波数ｆ
₂ の信号とからアセチレンを検出するアセチレン検出装
置２７ｂとで構成されている。

【００１６】半導体レーザ素子２０ａ、２０ｂは、素子
自体の温度が高くなると発振波長が長くなり、温度が低
くなると発振波長が短くなる特性を有しており、半導体
レーザ素子２０ａ、２０ｂには図示しないペルチェ素子
が熱伝導板を介して取り付けられている。

【００１７】ペルチェ素子はＰ型半導体とＮ型半導体と
が交互に金属板を介して接続されて構成されており、電
流の流れる方向により接続部が加熱または冷却されるの
で、ペルチェ素子に印加する電圧または電流を制御する
ことにより半導体レーザ素子２０ａ、２０ｂの発振波長
を安定化することができる。

【００１８】ビームスプリッタ２３は一般にハーフミラ
ーで構成されており、ハーフミラーに所定の角度で入射
された光ビームを反射光と透過光との２つに分割する。
半導体レーザ素子２０ａから出射し光路Ｌ₁ を通るレー
ザ光は、その一部がビームスプリッタ２３を透過し、測
定用セル２５に入射するとともに、他の一部がビームス
プリッタ２３で反射して参照用セル２２に入射する。半
導体レーザ素子２０ｂから出射されて光路Ｌ₂ を通るレ
ーザ光も同様に、その一部がビームスプリッタ２３で反
射して、測定用セル２５に入射するとともに、他の一部
がビームスプリッタ２３を透過して参照用セル２２に入
射する。

【００１９】半導体レーザ素子２０ａ、２０ｂと、参照
用セル２２と、測定用セル２５とは、半導体レーザ素子
２０ａから出射されてビームスプリッタ２３を透過した
レーザ光の光路Ｌ₃ と、半導体レーザ素子２０ｂから出
射し、ビームスプリッタ２３で反射したレーザ光の光路
Ｌ₃ とが一致するように配置され、半導体レーザ素子２
０ｂから出射されてビームスプリッタ２３を透過したレ
ーザ光の光路Ｌ₄ と、半導体レーザ２０ａから出射され
ビームスプリッタ２３で反射したレーザ光の光路Ｌ₄ と
が一致するように配置されている。このため光路Ｌ₃ 、
Ｌ₄ 上では半導体レーザ素子２０ａから出射したレーザ
光と半導体レーザ素子２０ｂから出射したレーザ光とが
混合されることになるのでビームスプリッタ２３は混合
手段として機能する。

【００２０】受光器２４、２６は入射したレーザ光を電
気信号に変換する素子であり、たとえばフォトダイオー
ドであるが、これに限定されずフォトトランジスタを用
いてもよい。

【００２１】メタン用波長制御装置２１ａは、受光器２
４からの出力成分から半導体レーザ素子２０ａの波長を
モニタし、発振波長を安定化するため半導体レーザ素子
２０ａに取り付けられたペルチェ素子の温度が所定の温
度になるように温度調整を行うとともに半導体レーザ素
子２１ａの駆動電流を周波数ｆ₁ で変調する。アセチレ
ン用波長制御装置２１ｂも同様に、半導体レーザ素子２
０ｂに取り付けられたペルチェ素子の温度が所定の温度
になるように半導体レーザ素子２０ｂの温度調整を行う
とともに半導体レーザ素子２０ｂの駆動電流を周波数ｆ
₂ で変調する。

【００２２】メタン検出装置２７ａは測定用セル２５中
のメタンガスの濃度を算出し、アセチレン用検出装置２
７ｂは測定用セル２５中のアセチレンガスの濃度を算出
する。

【００２３】次に多種ガス検知装置の動作について説明
する。

【００２４】半導体レーザ素子２０ａ、２０ｂの変調周
波数ｆ₁ 、ｆ₂ はその最小公倍数が大きい方が測定精度
が向上することが知られているので、たとえばメタンガ
ス用の半導体レーザ素子２０ａの変調周波数ｆ₁ を５１
ＫＨ_Z に、アセチレンガス用の半導体レーザ素子２０ｂ
の変調周波数ｆ₂ を４９ＫＨ_Z に選んだ。変調周波数は
４９ＫＨ_Z 、５１ＫＨ_Z であるが、互いに整数倍でなけ
れば他の周波数を用いてもよい。

【００２５】まずメタン用波長制御装置２１ａとアセチ
レン用波長制御装置２１ｂとを駆動する。半導体レーザ
素子２０ａはメタンの吸収波長に等しい波長で励起する
とともに周波数５１ＫＨ_Z で変調され、半導体レーザ素
子２０ｂはアセチレンの吸収波長に等しい波長で励起す
るとともに周波数４９ＫＨ_Z で変調される。その結果、
各半導体レーザ素子２０ａ、２０ｂからは所定のバイア
ス電流を中心として所定の周波数で変調されたレーザ光
が発振される。

【００２６】こうして発振されたレーザ光のうち、半導
体レーザ素子２０ａから出射されビームスプリッタ２３
を透過したレーザ光と、半導体レーザ素子２０ｂから出
射されビームスプリッタ２３で反射したレーザ光との混
合光は、参照用セル２２を透過した後受光器２４で電気
信号に変換される。受光器２４より得られる出力信号は
それぞれ波長制御装置２１ａ、２１ｂに入力されるが、
メタン用波長制御装置２１ａにおいては周波数５１ＫＨ
_Z の変調波だけについて信号処理が行われてペルチェ素
子の電圧が制御され、半導体レーザ素子２０ａの温度が
制御されるのでメタンの吸収波長に発振波長が安定化さ
れる。これに対してアセチレン用制御装置２１ｂにおい
ては周波数４９ＫＨ_Z の変調波だけについて信号処理が
行われてペルチェ素子の電圧が制御され、半導体レーザ
素子２０ｂの温度が制御される。波長制御装置２１ａ、
２１ｂは内蔵する位相敏感検波器、積分器、ペルチェ素
子用電源などで構成されており、受光器２４から得られ
た出力信号はそれぞれ変調周波数４９ＫＨ_Z 、５１ＫＨ
_Z についての基本波の位相敏感検波信号を求め、その値
がゼロとなるように半導体レーザ素子２０ａ、２０ｂの
温度を制御する。これにより半導体レーザ素子２０ａ、
２０ｂの発振波長はそれぞれの検出ガスの吸収線の中心
に同時に安定化される。

【００２７】一方、半導体レーザ素子２０ａから出射さ
れてビームスプリッタ２３を透過したレーザ光と、半導
体レーザ素子２０ｂから出射されてビームスプリッタ２
３で反射したレーザ光との混合光は測定用セル２５を透
過した後受光器２６で電気信号に変換され、メタン用検
出装置２７ａおよびアセチレン用検出装置２７ｂに入力
される。メタン用検出装置２７ａおよびアセチレン用検
出装置２７ｂは、それぞれ対応する変調周波数４９ＫＨ
_Z 、５１ＫＨ_Z についての基本波の位相敏感検波信号お
よび２倍波位相敏感検波信号を出力する２つの位相敏感
検波器、位相敏感検波器の出力比を得る割算器、割算器
の出力を記録する記録計などで構成されている。そし
て、２倍波位相敏感検波信号の値を基本波位相敏感検波
信号の値で割った値から測定用セル２５におけるメタン
ガスおよびアセチレンガスの濃度を求める。

【００２８】半導体レーザ素子２０ａ、２０ｂで発振さ
れるレーザ光の中心波長を、それぞれメタンガス、アセ
チレンガスの吸収線の中心ｆ₀ に一致させると、２倍波
検波信号と基本波検波信号との比Ｐ（２ｆ）／Ｐ（ｆ）
_max はピーク値Ｒを示し、数１のように表わされる。

【００２９】

【数１】 Ｒ＝Ｐ（２ｆ）／Ｐ（ｆ）_max ＝Ｉ₀ （ΔＦ）² α（ｆ₀ ）・ｃ・Ｌ／（２ΔＩ・γ² ） ここで、Ｉ₀ は各々のレーザ出力の中心強度、ΔＩは強
度変調振幅、ΔＦは周波数変調振幅、α（ｆ₀ ）は特定
ガスの吸収線中心ｆ₀ での吸収係数、γはそのα（ｆ
₀ ）の半値幅２γの半分の値、ｃ・Ｌは特定ガスの濃度
ｃと測定用セル２５での光伝搬距離Ｌとの積に比例する
ため、伝搬距離Ｌがわかれば、数１により特定ガスの濃
度ｃを算出できる。

【００３０】図２は多種ガス検知装置の他の実施例の概
略構成図である。

【００３１】この実施例と図１に示した多種ガス検出装
置との相違点は、レーザ光集光用のレンズ２９、３０が
用いられ、ビームスプリッタ２３の代わりにファイバカ
ップラ２８が用いられ、半導体レーザ素子２０ａ、２０
ｂ、ファイバーカップラ２８、参照用セル２４および測
定用セル２５間が光ファイバＦ₁ 、Ｆ₂ 、Ｆ₃ およびＦ
₄ で接続されていることである。

【００３２】半導体レーザ素子２０ａがメタン用波長制
御装置２１ａによって周波数ｆ₁ で変調され、半導体レ
ーザ素子２０ａから出射したレーザ光がレンズ２９を介
して光ファイバＦ₁ でファイバカップラ２８に入射す
る。半導体レーザ素子２０ｂがアセチレン用波長制御装
置２１ｂによって周波数ｆ₂ で変調され、半導体レーザ
素子２１ｂから出射したレーザ光がレンズ３０を介して
光ファイバＦ₂ でファイバカップラ２８に入射する。フ
ァイバカップラ２８で半導体レーザ素子２０ａおよび半
導体レーザ素子２０ｂからのレーザ光を混合し、混合さ
れたレーザ光は光ファイバＦ₃ 、Ｆ₄ を介して参照用セ
ル２２および測定用セル２５を照射する。参照用セル２
２を透過したレーザ光は受光器２４により電気信号に変
換されメタン用波長制御装置２１ａおよびアセチレン用
波長制御装置２１ｂに入力され、測定用セル２５を透過
したレーザ光は受光器２６により電気信号に変換されメ
タン用波長制御装置２７ａに入力される。

【００３３】以下前述の多種ガス検知装置と同様に、メ
タン用波長制御装置２１ａでは周波数５１ＫＨ_Z の変調
波だけについて信号処理が行われることによりペルチェ
素子の電圧が制御され、半導体レーザ素子２０ａの温度
が制御され、発振波長が安定化される。アセチレン用波
長制御装置２１ｂでは周波数４９ＫＨ_Z の変調波だけに
ついて信号処理が行われることによりペルチェ素子の電
圧が制御され、半導体レーザ素子２０ｂの温度が制御さ
れ、発振波長が安定化される。

【００３４】このように周波数ｆ₁ で変調された半導体
レーザ素子２０ａのレーザ光と、周波数ｆ₁ とは異なる
周波数ｆ₂ で変調された半導体レーザ素子２０ｂのレー
ザ光とをビームスプリッタ２３またはファイバカップラ
２８で混合し、参照用セル２２内のガスを通過させた後
受光器２４で受光し、メタン用波長制御装置２１ａで周
波数ｆ₁ に対応したレーザ光の発振波長を安定化し、同
時にアセチレン用波長制御装置２１ｂで周波数ｆ₂ に対
応したレーザ光の発振波長を安定化することにより、従
来は測定したいガスの種類の数だけ参照用セル２２と受
光器２４が必要であり、波長の安定を別々に行っていた
が、本発明では１つの参照用セルと１つの受光器で波長
の安定化が同時にできる。

【００３５】なお、本実施例ではガス検出装置の発振波
長の安定を行っているが、これに限定されず、レーザを
用いた通信装置、たとえば多重通信装置等における発振
波長の安定を行ってもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
各半導体レーザより出射する変調されたレーザ光を混合
する混合手段と、混合手段で混合された後複数の参照用
ガスが封入された参照用セルと、参照用セルを透過した
レーザ光を受光する受光手段と、受光手段の出力から所
定の周波数に等しい周波数成分を検出し、周波数成分に
基づいて各半導体レーザの波長をそれぞれ安定化する複
数の波長安定化手段とを設けたので、複数の半導体レー
ザを用いて多種類のガスを同時に検出するガス検知装置
の各半導体レーザの発振波長が同時に安定化される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による多種ガス検知装置の一実施例の概
略構成図である。

【図２】本発明による多種ガス検知装置の他の実施例の
概略構成図である。

【図３】本願出願人による多種ガス検知装置の概略構成
図である。

【符号の説明】

２０ａ、２０ｂ 半導体レーザ素子 ２１ａ アセチレン用波長制御装置 ２１ｂ メタン用波長制御装置 ２２ 参照用セル ２４、２６ 受光器 ２５ 測定用セル ２７ａ メタン用検出装置 ２７ｂ アセチレン用検出装置 ２８ ファイバカップラ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発振波長の異なる複数の半導体レーザ
   と、該各半導体レーザの駆動電流をそれぞれ異なる所定
   の周波数で変調する変調手段とを備え、該変調手段によ
   り変調され複数のガスが封入された測定用セルを通過し
   たレーザ光を用いて該測定用セル内のガスの濃度を検出
   する多種ガス検出装置であって、前記各半導体レーザか
   ら出射するレーザ光を混合する混合手段と、複数の参照
   用ガスが封入された参照用セルと、該参照用セルを透過
   したレーザ光を受光する受光手段と、該受光手段の出力
   から前記所定の周波数に等しい周波数成分を検出し、該
   周波数成分に基づいて前記各半導体レーザの波長をそれ
   ぞれ安定化する複数の波長安定化手段とを設けたことを
   特徴とする多種ガス検出装置。
2. 【請求項２】 前記混合手段がビームスプリッタである
   ことを特徴とする請求項１に記載の多種ガス検出装置。
3. 【請求項３】 前記混合手段がファイバーカップラであ
   り、該ファイバーカップラと各半導体レーザとが光ファ
   イバで接続されるとともに前記ファイバーカップラと前
   記参照用セルとが光ファイバで接続されていることを特
   徴とする請求項１に記載の多種ガス検出装置。